實(shí)現高可靠性電源的半導體解決方案

高可靠性系統設計包括使用容錯設計方法和選擇適合的組件，以滿(mǎn)足預期環(huán)境條件并符合標準要求。

本文專(zhuān)門(mén)探討實(shí)現高可靠性電源的半導體解決方案，這類(lèi)電源提供冗余、電路保護和遠程系統管理。本文將突出顯示，半導體技術(shù)的改進(jìn)和新的安全功能怎樣簡(jiǎn)化了設計，并提高了組件的可靠性。

高可靠性電源系統的要求

在理想的世界里，高可靠性系統應該設計為能夠避免單點(diǎn)失效，有辦法在保持運行 (但也許是在降低的性能水平上) 的情況下隔離故障。高可靠性系統還應該能夠抑制故障，避免故障傳播給下游或上游電子組件。

內置冗余是一種解決方案，這可以采用并聯(lián)電路以主動(dòng)分擔負載或者在故障發(fā)生之前以備用模式等待。在每一種內置冗余方式中，實(shí)現故障檢測和管理都需要額外的電路開(kāi)銷(xiāo)，這提高了總的復雜性和成本。有些系統還建立了不同的并聯(lián)電路，以增加多樣性，避免產(chǎn)生相同故障機制這種風(fēng)險，某些飛行控制系統就是這么做的。

提高系統復雜性給電源性能造成了更大負擔，因此高轉換效率和良好的熱量管理變得至關(guān)重要了，因為結溫每上升 10°C，IC 壽命大約減少一半。正如我們將看到的那樣，現在新功能豐富的電源 IC 和專(zhuān)用電源管理功能增強了對 IC 本身及其周?chē)到y的保護。

電源穩壓器的安全功能

電壓穩壓器的電流限制越來(lái)越準確，形式也越來(lái)越復雜，以避免過(guò)大的輸出電流損壞器件本身或下游組件。內部保護電路也相當常見(jiàn)，包括電池反向保護、電流限制、熱量限制和電流反向保護。

LTC7801 DC/DC 開(kāi)關(guān)控制器就是一個(gè)改進(jìn)了工藝技術(shù)和安全功能的產(chǎn)品實(shí)例。該器件可安全地承受高達 150V 的輸入電壓，并提供一種保護功能，以在輸入電壓上升至高于可編程工作范圍時(shí)，禁止切換。這種功能簡(jiǎn)化了輸入電源瞬態(tài)保護電路，減少了組件數并縮減解決方案尺寸。運用針對電壓過(guò)沖提供保護的過(guò)壓比較器，也可以很好地保護輸出，同時(shí)折返電流限制器在過(guò)流和短路故障情況下可控制功耗。

圖 1：LTC7801 高壓降壓型 DC/DC 控制器

寬引腳間隔可避免相鄰高壓和低壓引腳之間產(chǎn)生危險的電弧，通過(guò)提供這樣的封裝選擇，也增強了物理封裝方面的安全性。擊穿電壓隨著(zhù)氣壓降低而下降，因此非正常氣壓的飛機應用可以選擇 LTC3895，該器件提供與 LTC7801 相同的功能和性能，但是提供具 0.68mm 雙倍引腳間隔的封裝選擇。另外，還可采用一些具有符合所謂 FMEA (失效模式和影響分析) 標準之引出腳配置的產(chǎn)品，比如容錯型 LT3007 線(xiàn)性穩壓器，在此類(lèi)引出腳配置中，如果相鄰的引腳短接在一起或某個(gè)引腳被浮置，則輸出維持在或低于調節電壓。

控制多個(gè)輸入電源

含有一個(gè)主電源和一個(gè)冗余備份電源同時(shí)也許還有一個(gè)外部輔助電源的電源系統需要一種仲裁系統，以確定哪個(gè)電源有優(yōu)先權并監視這些電源的狀態(tài)。此外，還必須保護系統，防止在電源切換時(shí)發(fā)生交叉傳導和反向饋送。諸如 LTC4417 等單芯片 IC 提供一種解決方案，即針對每個(gè)輸入驗證用戶(hù)定義的電源門(mén)限，依此自動(dòng)選擇電源。

另一種方法是由兩個(gè)同時(shí)運行的輸入電源分擔負載，從而通過(guò)減輕每個(gè)電源的負擔提高可靠性，如果每個(gè)電源都經(jīng)過(guò)適當調整，能夠支持滿(mǎn)負載需求，那么這種方法同時(shí)還能在一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)提供保護。過(guò)去，可能一直采用簡(jiǎn)單但效率低的二極管“合路”電路，但這種電路要求每個(gè)電源都配備有源控制以平衡負載。圖2 顯示，現在怎樣才能用單個(gè)芯片解決方案來(lái)實(shí)現這種控制。LTC4370 是一款均流控制器，具反向隔離，防止一個(gè)電源發(fā)生故障導致整個(gè)電源系統宕機。

圖 2：LTC4370 雙冗余電源均分

瞬態(tài)和電路保護

軍用和航空電子產(chǎn)品必須符合瞬態(tài)保護規范，例如MIL-STD-1275 (車(chē)輛) 和 MIL-STD-704/DO-16 (飛機)。不過(guò)，人們希望任何高可靠性系統都針對電壓浪涌、尖峰和紋波提供保護，有些產(chǎn)品專(zhuān)門(mén)提供這種保護功能，例如 LT4364。

此外，還有多種電路保護功能可用，包括 LTC4368 這類(lèi)產(chǎn)品。LTC4368 是一款 100V 雙向電路斷路器，針對電源電壓過(guò)高、過(guò)低甚至為負、以及針對正向和反向過(guò)流故障提供保護。

圖 3：提供保護功能的 LTC4368 雙向電路斷路器

在這些例子中我們可以觀(guān)察到，具日益復雜的保護和安全功能的新產(chǎn)品怎樣簡(jiǎn)化了應用電路設計，并減小了解決方案尺寸。

數字電源系統管理

模擬電源調節有自己的優(yōu)勢，通過(guò)基于 I2C 的 PMBus 接口進(jìn)行數字控制以支持電源系統遠程管理也有自己的優(yōu)勢，新型產(chǎn)品正在結合這兩種優(yōu)勢。遙測和診斷數據可用來(lái)監視負載情況、讀取芯片溫度并以非常高的準確度進(jìn)行微調和裕度控制，從而最大限度提高系統穩定性、效率和可靠性。

數字電源管理的一個(gè)引人關(guān)切問(wèn)題是軟件的復雜性，然而，LTC3815 執行一種簡(jiǎn)化的 PMBus “Lite” 命令集，沒(méi)有片內非易失性存儲器或微控制器，它在簡(jiǎn)化設計的同時(shí)提供了數字控制和監視的好處。

正如之前提到的那樣，良好的熱量控制對于可靠性是非常重要的，LTC3815 提供兩級過(guò)熱門(mén)限和兩級響應。當內部芯片溫度超過(guò) 150°C 時(shí)，過(guò)熱狀態(tài)被標記到 PMBus 上，ALERT 引腳拉低以向 PMBus 主器件發(fā)出警報。如果溫度繼續上升并超過(guò) 170°C，那么 LTC3815 就關(guān)斷所有電路，包括輸出調節電路，直到過(guò)熱狀態(tài)清除為止。

這類(lèi)能夠報告其狀態(tài)的系統為改變維護方式提供了機會(huì )，即從基于時(shí)間的維護安排轉變到基于狀態(tài)的維護，并有可能在系統故障形成之前，凸顯性能下降問(wèn)題。

隔離式系統

高可靠性電源系統通常包括一個(gè)隔離勢壘，以保護電源總線(xiàn)免遭下游線(xiàn)路可更換單元故障的損壞。另外，不斷增加的傳感器和執行器數目也在推動(dòng)著(zhù)對于較小、局部隔離式電源和數據接口的需求，旨在減少源自接地環(huán)路和共模干擾的噪聲感應問(wèn)題?，F在已經(jīng)有了完整的電流隔離型 BGA 模塊解決方案，以簡(jiǎn)化設計和提高可靠性。LTM9100 隔離型開(kāi)關(guān)控制器是一款一體化解決方案，用于控制、保護和監視高達 1000VDC 的高電壓電源。一個(gè) 5kVRMS 電氣隔離勢壘隔離了數字接口和開(kāi)關(guān)控制器，從而可驅動(dòng)一個(gè)外部 N 溝道 MOSFET 或 IGBT 開(kāi)關(guān)。通過(guò) I2C/SMBus 接口可對負載電流、總線(xiàn)電壓及溫度進(jìn)行隔離式數字測量，從而實(shí)現高電壓總線(xiàn)的功率和能耗監視。

圖 4：具遙測功能的 LTM9100 隔離式開(kāi)關(guān)控制器

組件選擇

本文大部分內容都專(zhuān)門(mén)用來(lái)探討簡(jiǎn)化高可靠性電源設計的新功能，或者針對故障或粗暴使用情況保護器件的產(chǎn)品功能。然而，至關(guān)重要的是，不要忽視組件質(zhì)量的重要性以針對預期環(huán)境條件選擇正確組件級別的重要性。例如 ADI 的軍用塑料封裝等級器件提供了經(jīng)過(guò) 100% 測試和有保證的性能 (在 -55°C 至 +125°C 溫度范圍內)，從而免除了對預期存在非常嚴酷條件的應用電路中的組件進(jìn)行昂貴二次篩分或特性分析之需。

結論

憑借用戶(hù)可編程特性、更加精細復雜的片內保護機理和縮減了整體解決方案占板面積的更高集成度，已使高可靠性電源的設計得以簡(jiǎn)化。數字電源系統管理提供了方法以遠程監視和控制電源系統以及進(jìn)一步改善效率和可靠性。最后，選擇一家信譽(yù)良好供應商的正確組件等級將降低發(fā)生質(zhì)量和可靠性問(wèn)題的可能性。